JPS6128095B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、燃料や油の圧送又は固体粒子の空気
搬送において生じる如き液体（非導電性）および
蒸気又は固体（非導電性）および気体の相対的画
分測定に関する。

先行技術においては最も実際的な用途において
導管の断面における蒸気と液体又は固体と気体の
非均質特性の有効な取扱いができないと云う問題
に対する多くの機械的および電気的な方法による
試みが含まれている。

本発明の目的は、このような混合物の非均質断
面を有効に取扱う混合流における非導電性の気体
と固体の画分の測定又は蒸気と液体の画分の測定
提供にある。

本発明の別の目的は、環状流れの渦巻効果によ
り悪影響を受けずに導管の比較的短い距離におけ
る測定を行う事にある。

前記目的の１つ以上に一致する有効な方法を与
える長期に信頼のおける寿命操作において、熱的
膨張及び収縮及び圧力の如き環境条件下で取扱う
長寿命の装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、前述の各目的の１つ以上
に一致して測定する装置に対して最少限度の撹乱
状態を生じる簡単な構造の提供にある。

本発明の他の目的は、前述の各目的の１つ以上
に一致する不適正な読みの根源（ソース）を排除
する事にある。

本発明の更に他の目的は、前記の各目的の１つ
以上に一致する経済的な装置の提供にある。

本発明によれば、キヤパシタンス測定が分散さ
れ望ましくは重複しない順序で測定されるべき流
れの断面について順次実施される。そして、各シ
ーケンス・ステツプは、加算されるべき測定の目
的のために固体又は液体が実質的に静止するよう
に、センサーを通る流速に関して大きい速度でキ
ヤパシタンス測定励起高周波を論理的にカウント
する事により制御される。このキヤパシタンス測
定に用いられる励起の周波数は10乃至100KHz、
望ましくは30KHz（一般的な電力の周波数よりも
高いが無線周波数よりは低い）である。多くの電
極の組からなるセンサー素子は流体の流れに電圧
の場を与え、そのキヤパシタンスに応答する。セ
ンサーからの加算されて変更するキヤパシタンス
の応答電流は増巾され固体又は液体の百分率でメ
ータに表示される電圧信号に変換される。キヤパ
シタンス測定のための電極は、望ましくは導管を
破る事なくあるいは流体の流れに侵入したり流れ
を乱したり触れたりする事なく、モニターされる
導管の流動物質の周囲に指向された周囲のプレー
ト列である事が望ましい。

流動管の電気的に透過性（非導電性）の部分を
用いる事により、センサーは流動管の外側から目
的とするモニター作用を行う事ができる。センサ
ーのハウジングは、流動管の外周部の周囲を把持
する１対の半円形のチユーブからなる事が望まし
い。各半円形部は、内表面上のセンサー・プレー
トと介在する絶縁層と外側の接地用平面を有する
積層組立体からなる。この接地平面は各センサ
ー・プレートに対する電気的接続がこれを介して
行われる同軸型のコネクタを有する。

このようにセンサーは、本装置におけるいくつ
かの個所をモニターするため、又現場配管に対し
て完全に外側になるように容易に移動可能であ
る。現地の操作を阻害する事なく携帯機能が確保
され修理が可能になる。更に、流動装置の外側か
ら流動物質をモニターするこの能力は、センサー
の材料および作用に関して非常に経済的かつ信頼
のおけるセンサーを提供するものである。

この発明は混合相の非導電性流体又は非導電性
粒子と気体の混合流れの相画分を測定するための
方法及び装置を特徴ずける。相画分は、測定され
る混合相流体の気相対液相の相対量、又は非導電
性粒子の混合流れの気体対固体の相対量を示す。

以下に述べるように、測定は10〜100KHzの範
囲の交流電圧で回転電界を与えることにより、流
路の断面の中で重なるいくつかの分配された方向
で行なわれるキヤパシタンス測定である。回転電
界によつて生じるキヤパシタンス測定は、液体又
は固体相画方に比例し、そして単一体からの減算
により、気相画分に比例する。回転電界は測定さ
れるべき断面の周辺、流れ断面を制限するプレー
ト構造及び絶縁のまわりに等しく離隔された６つ
のプレートの電気的位置を順次回転するこことに
より生成される。

添付図面は市販のオーバーン・インターナショ
ナル（Auburn International）社のモデル1000装
置を示す。

第１図を参照すると、本発明の好適な一実施例
は、電圧分割回路VD、コンパレータCOMP及び
スイツチング・ロジツクＸを含むスパン制御部を
経て接続され、その内部に多重電極板Ｐ１〜Ｐ６
を有するセンサ組立体Ｓと、加算ジヤクションΣ
及びメータ要素を含む。Wienブリツジ発振器で
ある事が望ましい発振器Ｏは安定した30KHzの正
弦波の出力が生じる。30KHzがスパン制御部とコ
ンパレータCOMPに与えられる。コンパレータ
COMP（演算増巾器）は、30KHzの各軸の交差部
における渡りを有する０〜５ボルトからの短形波
出力を生じる。コンパレータの出力は16で除さ
れ、次にロジツクＸにおいて乃至６の10進法のシ
ーケンスに変換され、前記LOGICXは更にロジツ
クＹを介してセンサーの極板のスイツチング・シ
ーケンスを制御する。

スパン制御部の出力は、スイツチング．ロジツ
クを介して適当なセンサー極板に接続され、又低
インピーダンス駆動を有する零制御部に与えられ
る。零制御部の出力は反転され、レベルが小さく
され、加算ジヤンクシヨン（Σ）に対する零化電
流としてコンデンサCAPに与えられる。零制御
部は、零とスパン調整間の相互作用を最少限度に
するためにスパン制御の後に接続される。適当な
センサー極板も加算ジヤンクシヨンに接続されて
いる。加算ジヤンクシヨンにおける電流の代数和
がＩ／Ｅコンバータによりある電圧に交換され
る。

電界効果トランジスタ（FET）を用いてシー
ケンスの渡りの間信号を遮断してこの渡りの間に
生じるパルスが後続の増巾器を飽和しないように
する。AC増巾器（ACA）は信号の増巾を行い、
インバータ（Ｉ）は信号を反転して、その結果要
素SYN.RECT.を介する同期整流を用いてDC信
号を生じる事ができる。コンパレータCOMPの出
力は、同期整流のためのスイツチング入力とクロ
ツキング入力を与える。DC増巾器DCAは、管路
内の固体又は液体に比例し前面のパネルメータＭ
を駆動する０〜10Vの出力を与える。この出力
は、測定される流体の流路の断面内で重なり合う
いくつかの分配された方向において行なわれるキ
ヤパシタンス測定の結果として得られ、流体の気
相対液相の相対量を限定し、位相画分信号と称さ
れる。操作上の便宜のため、１秒又は２秒と半秒
の時定数減衰作用がメータに与えられる。DC零
制御を用いて信号に存在するDC成分を相殺す
る。

第２Ａ図乃至第２Ｆ図においては、６つの図は
電圧界の回転シーケンスのステツプ１乃至６を示
す。各ステツプにおいて、30KHzの電圧が極板
「Ｔ」に与えられ、３つの対向極板は一緒に接続
されて共通の受信の極板「Ｒ」を構成し、このＲ
からセンサー内部の平均誘電定数に比例する容量
電流はアースに流れる事ができ、反転極板は接地
されて送信（Ｔ）および受信（Ｒ）極板を分離す
る。センサーの外側のジヤケツトも又接地されて
センサーの周囲のシールド（ガード）として作用
する。１つの位置はセンサーの全断面の誘電定数
を平均化するために十分な電界を与えないため、
スイツチング・ロジツクは連続する６つのステツ
プのシーケンスで各極板の電気的位置を前進さ
せ、こうして良好な平均化作用を得るため電界を
回転する。「Ｒ」極板における電界の周部の拡り
は180゜に近ずき、いかなる場合でも大きな修正
の努力を必要とする周縁エラーを避けるために必
要な約90゜以上である。

第３図乃至第４図において、第４図は、センサ
ーの極板を発振電圧源Ｏ、加算ジヤンクシヨンΣ
又は接地バスに対して選択的に接続するため第３
図の回路においてその内の６つが使用される極板
スイツチ回路である。「極板シーケンス・ロジツ
ク」は１乃至６シーケンスから各極板スイツチ回
路に対するXmit，GndおよびFec.ロジツク・レ
ベルを生成する。

第４図は「極板スイツチ回路」のダイヤグラム
である。この回路は５つのFETスイツチからな
り、その内の２つは接続されない時極板を絶縁す
るため30KHz（Ｔ）およびΣ（Ｒ）の相方に対し
て接地する中間ロード・レジスタと直列に接続さ
れている。残りのFETスイツチを用いて極板を
接地する。

本発明に使用する発振作用は単相であり一般に
高い周波数である事が望ましい。有効極板面積
は、含まれるマイクロフアラツド以下のキヤパシ
タンス値において有効に信号強度の取扱のため第
２Ａ図乃至第２Ｆ図に示す如く最大化される。第
２Ａ図乃至第２Ｆ図に示す如く生じる空間重なり
パターンは「第１のキヤパシタンス極板」に円弧
の少くとも90゜望ましくは180゜の拡りとならね
ばならず、反対側の「第２のキヤパシタンス極
板」は第１の極板に対向する90゜以下に制限さ
れ、中心部の強い電界およびＶチヤンネル電界の
強い現状の集中を避ける。電界の回転の明確なシ
ーケンスの転流ステツプ（介在する絶縁を用い
る）は流れの断面の走査を確保し、流れの内の
個々の断面部は流れが管路の軸方向に流下する間
数回にわたり完全に走査される。この回転走査
は、流れのチヤンネルの中心部の有効範囲（前者
の）および環状流れの有効に逆う逆効果における
燃料管路等の空隙画分を測定するための公知のキ
ヤパシタンス渦状センサ・メータ・キヤパシタン
ス計器と対照をなす。

第１図の装置はドライバ・ボード、スイツチン
グ・ボードおよびレシーバ・ボード回路からな
る。第９Ａ図は、ドライバ組立体の演算増巾器Ｚ
１Ａおよびその関連する回路形態の自動利得制御
部を有する安定化Wienブリツジ（周波数兼振巾
安定キヤパシタンス抵抗ブリツジ）発振器を示
す。発振器の出力はコンパレータＺ２Ａ（第１図
にCOMPとして表示）に与えられ、該コンパレー
タは、発振器により生成される正弦波の座標軸と
交差する点における変換から０乃至5Vの短形波
出力を生じる。又、発振器の出力はSPAN制御部
（第１図）に接続される。SPANの出力は演算増
巾器Ｚ４Ａ（第９Ａ図）の非反転入力側に接続さ
れ、前記増巾器は非反転フオロワーとして接続さ
れてSPAN制御部のために絶縁を与え、そしてス
イツチング組立体（第９ｃ図下方）を介して零制
御部（第１図）及びセンサー駆動部へ低インピー
ダンス駆動を与える。零制御部の出力は反転さ
れ、演算増巾器Ｚ３Ａによりレベルが低下させら
れ、零化入力としてレシーバ組立体に供給され
る。零制御部はスパン制御部の後に接続されて零
とスパン調整間の相互作用を最少限度に抑制す
る。

コンパレータの出力は、同期整流のためのスイ
ツチング入力としてレシーバ組立体に供給され
る。又、この出力は２つの４段シフトレジスタ・
カウンタ（Ｚ６ＡおよびＺ９Ａ）に対してクロツ
ク入力として接続される。ターミナルSYNC.ア
ウトにおけるＺ６Ａの出力は16又は1.875KHzで
分割される30KHzとなり、これも又Ｚ９Ａの入力
側に供給される。Ｚ９Ａの４段の並列BDC出力
は２進10進化コンバータＺ１０Ａに接続され、こ
のコンバータはHex、インバータＺ１１Ａにより
反転された後電極セレクト・アウト接続部を介し
てスイツチング組立体に与えられる。Ｚ１０Ａの
７番目のカウントは再びＺ９Ａの「リセツト」入
力側に接続され、こうして10進カウントを再び位
置１に戻す。

Ｚ６Ａの並列出力はＺ７Ａにより０〜16の10進
カウントに復号される。QUADNANDゲートＺ８
ＡのNANDゲートはラツチとして接続される。Ｚ
７Ａからのカウント「15」に達する時このラツチ
はセツトされ、カウント「２」に達するとラツチ
は「リセツト」される。ラツチの出力はシユミツ
ト・トリガーに接続されてレシーバ組立体（第９
Ｃ図および以下の記述参照）に対して整流ブラン
キング・ゲート信号として与えられるゲート・ア
ウトを生じる。

Ｚ１Ａ乃至Ｚ５Ａ増巾器は、ナシヨナル３１１
コンパレータであるＺ４Ａを除いてハリスHA2
−2625−５型演算増巾器である事が望ましい。他
の２つの要素は標準的ロジツク・チツプである。

第９Ｂ図はスイツチング組立体の略図である。
スイツチング組立体の機能は、センサーの各電極
板を30KHZ（XMITイン）、レシーバ組立体
（REC.アウト）又はアース（GND）に接続する
事である。スイツチング作用はQUAD FETスイ
ツチＺ１Ｂ〜Ｚ７Ｂ，Ｚ１５ＢおよびＺ１６Ｂに
より行われる。２つのスイツチは、十分な絶縁作
用のための各送出又は受取り機能のためカスケー
ド接続されている。選択ロジツクは、３連型の３
入力NORゲートＺ１１Ｂ〜Ｚ１４ＢおよびHex
インバータＺ８Ｂ〜Ｚ１０Ｂからなる。このロジ
ツクは、１つの電極選択回線がハイの状態の時関
連する電極板が送出のための3KHzに接続され、
前後の極板は接地されている。残りの極板は、ア
ース側の送出として電極板選択回線からの付勢な
しにこの電極が自動的に受取り回線に接続される
ため、受取り回線に接続されている。センサーの
接続部からの偶発的な過大電圧が生じないように
するためのダイオードが設けられてている。第９
Ｂ図における抵抗は47K、ダイオードはIN914、
FETはハリスHI−１−201−５である事が望まし
い。

第９Ｃ図はレシーバ組立体の略図である。ドラ
イバ組立体（第９Ａ図）からの零化電圧（零イ
ン）は、スイツチング組立体（REC、イン）を
介してセンサーから加算接合部に流れる容量電流
を用いて180゜位相のずれた演算増幅器の加算接
合部に容量電流を生じる100ピコ・フアラツドの
コンデンサに与えられる。Ｚ１Ｃのフイード・バ
ツク・ループにおけるコンデンサは、加算された
電流を電圧に変換し、発振器およびドライバ組立
体からのSYNC.インを用いてこの電圧を位相に
シフトする。FET（Ｅ１０５）は、ドライバ組
立体からの負のゲートによる電極シーケンス整流
の間遮断される。これは、整流スパイクにより以
降の演算増巾器Ｚ２Ｃの飽和を防止するために行
われる。

Ｚ２Ｃは電圧増巾を行い、演算増巾器Ｚ３Ｃは
１の利得インバータとして作用する。反転信号お
よび非反転信号はQUADスイツチＺ５Ｃの２つ
のFETスイツチを経て接続されている。この２
つのスイツチはSYNC信号により交互にONにさ
れて信号の同期整流を行う。Ｚ５Ｃの第３の部分
は、「反転信号」スイツチに対する反転SYNC信
号を与えるように接続されている。

演算増巾器Ｚ４Ｃは整流信号に対するDC利得
および低インピーダンス出力を与えて、メータを
駆動しかつ測定される固体又は液体により占有さ
れるセンサの容積に比例する０〜10ボルトの出力
を生じる。ボード上の零制御を用いて回路に生じ
たいかなるDCオフセツト成分をも除去し、メー
タCALはメータの全目盛りを丁度10ボルトに調
整させる。

メータの減衰作用は、零秒、１秒および2.5秒
の時定数の各位置でスイツチ（第１図）により与
えられる。

次に第５図乃至第８図において、センサー組立
体の機械的構成は、２つの半円形状の管積層部１
からなり、この積層部は導電性の接地面２と、導
電性のセンサー極板４が固定されかつこれに対し
て絶縁層を通過し前記接地面に固定された放射状
のコネクタ６の絶縁された導通材に接続してその
一部となる導体５により電気的接続が行われる絶
縁面３からなつている。

２つの半円形状の管積層部は、監視される物質
がその内側を流れる流通官７の電気的に透過性
（非導電性）の部分の外周部を囲繞するセンサー
からなつている。

これ等の半円形状の部分はクランプ９を用いて
流通管上に固定され、前記積層部の寸法は流通管
の外表面に直接の接触を許容し、各部の隣接縁部
でできる限り小さな間隙１０を与える。センサー
の極板の取付け位置は流通管の直径に対して対称
的であり、その軸方向長さは両端部が外部の電気
的分布を除去するため保護された絶縁積層部内で
十分な距離、即ち約25.4mm（１インチ）プラスと
なるようになつている。

これ等の特徴のため、前述の測定を行ない更に
取付けおよび携帯が容易であるために必要とされ
る正確に配置されたセンサー極板が得られる。

当業者にとつては、前記の開示によれば本発明
の概念から逸脱する事なく本文の特定の実施態様
以外に他の用途に用い、その変更を行う事が可能
である事は明らかである。従つて、本発明は、本
文に開示される頭書の特許請求の範囲にのみ限定
される装置および方法に存在しかつこれにより処
理される全ての特徴を包含しかつこの特徴の組合
せとして解釈されるべきものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の望ましい一実施態様による測
定装置のブロツク図、第２Ａ図乃至第２Ｆ図はセ
ンサー内部の電界の順次の転回状態を示す一連の
ダイヤフラム、第３図は第１図乃至第２図の「ス
イツチング・ロジツク」を更に詳細に示すブロツ
ク図（各センサー・プレートは30KHZのアース
即ち加算ジヤンクシヨン（Σ）に「ブレート・ス
イツチ回路」を介して接続される）、第４図は第
３図に含まれるプレート・スイツチ回路要素の拡
大図、第５図乃至第６図はそれぞれ第１図乃至第
４図の装置に使用できるセンサー計測部の縦断面
の前面図および側面図、第７図乃至第８図は第５
図乃至第６図の装置に使用される流動管路の縦断
面前面図および側面図、および第９Ａ図乃至第９
Ｃ図は第１図の装置に内蔵される主要回路組立体
の略図である。 １……半円形状管積層部、２……接地面、３…
…絶縁層、４……センサー極板、５……導体、６
……コネクタ、７……流通管、９……クランプ、
１０……間隙、Ｄ１〜Ｄ２……電極板、VD……
分圧器、Ａ，Ｂ……スイツチング・ロジツク素
子、COMP……コンパレータ、Σ……加算接合
部、ACA……AC増巾器、Ｉ……インバータ、Ｚ
１Ａ，Ｚ３Ａ，Ｚ４Ａ……演算増巾器、Ｚ２Ａ…
…コンパレータ、Ｚ６Ａ，Ｚ９Ａ……カウンタ、
Ｚ８Ａ……QUAD，NANDゲート、Ｚ１０Ａ……
コンバータ、Ｚ１１Ａ……Hex、インバータ、Ｚ
１Ｂ〜Ｚ７Ｂ，Ｚ１５Ｂ〜Ｚ１６Ｂ……スイツ
チ、Ｚ８Ｂ〜Ｚ１０Ｂ……Hex、インバータ、Ｚ
１１Ｂ〜Ｚ１４Ｂ……入力NORゲート。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 誘導物質の混合状態の流動媒体中の相画分の
   測定方法であつて以下の段階を含む。 流れを横切り相対的に変位される周期的な一連
   の電界を、分配され、空間的に重なり合い、時間
   的順序だてた方法で与える段階であつて、前記一
   連の電界は夫々比較的挟い人力電極とこれに対向
   する比較的広い受取り電極との間に先細状態に確
   立される段階、 前記電界により前記流れを横切つて生成され、
   かつ前記流れの媒体の誘電定数により影響を受け
   る容量電流を加算し、方向従属変数を平均化して
   前記流れの相画分と相互に関係する信号を生成す
   る段階。 ２ 前記容量測定が１つの比較的大きな電極にお
   ける少くとも90゜の電界の周部の拡がりにより与
   えられる特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 流れの経路の周囲の周方向に列状をなすコン
   デンサ電極を形成する装置と、単相の高周波発振
   電圧源と、電圧を順次電極に与えて前記流れを横
   切り相対的に変位される周期的な一連の電界を形
   成する装置と、各電極内に生じた電流を測定する
   装置と、測定された電流を加算して相画分信号を
   生じる装置とを備えてなる非導電性の気体、固体
   又は液体成分の測定装置。 ４ 前記の電極に対し順次電圧を与える装置は、
   各電極が順次入力電極として付勢される時少くと
   も１つの隣接電極が接地され、多くの隣接しない
   電極が送出側電極に対する受取り側電極として付
   勢される特許請求の範囲３項記載の装置。 ５ 電極をもつて６つの均等に離間され円形状に
   配置された同一の周部の列は略180゜の円弧を画
   成する３つの電極が設けられ、前記電極はいかな
   る時も受取り側電極として付勢され、同時に付勢
   される送出側電極と対向する特許請求の範囲４項
   記載の装置。 ６ 測定および加算するための装置は、センサー
   に与えられる高周波振動からAC／DC測定信号を
   生じるため加算された電流の同期整流のための装
   置を有する特許請求の範囲３項記載の装置。 ７ 電圧を順次電極に与える装置が順次の転流の
   間電極の給電を遮断するための装置を有する特許
   請求の範囲３項記載の装置。 ８ 電圧を順次電極に与える装置が電極を分離す
   るためカスケード制御される電界効果トランジス
   タからなる特許請求の範囲３項記載の装置。 ９ 各電極は、測定すべき流体のための導管路の
   電気的に非伝導性の管状部分に据付け可能な管状
   穀部に取付けられる特許請求の範囲３項記載の装
   置。